单晶涡轮叶片的应力分析方法研究

王庆平 崔巍 刘坤

摘 要：综述分析了当前单晶涡轮叶片应力计算分析的通用方法，从晶体的滑移机理出发，建立滑移粘塑性本构模型，然后利用有限元软件计算分析单晶叶片的应力行为。针对某型涡轴发动机的单晶涡轮叶片，基于上述方法，利用有限元计算软件ANSYS，仿真分析了单晶叶片的应力分布情况。

關键词：单晶涡轮叶片;晶体滑移;应力分析;有限元;航空发动机

中图分类号：V232.4 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2020）09-0145-03

0 引言

现代航空发动机对推重比的要求不断提高，对涡轮叶片的高温性能提出了更加严苛的要求[1-2]。发动机涡轮前进口温度从1200℃提高到1350℃，单位推力可提升约15%，耗油率可降低约8%，而温度的提高必将导致叶片工作寿命的降低[3]。由于单晶涡轮叶片承载高温能力好，组织稳定且具有良好的综合性能。因此，从20世纪80年代起，研制单晶涡轮叶片成为航空发动机的关键突破技术之一，显著推动了航空发动机技术的进步[4]。国内外学者对单晶涡轮叶片的应力分析方法开展了广泛深入的研究。饶寿期，吴斌等人[5-6]，建立了横观各向同性的本构模型，利用非线性有限元程序，对单晶叶片进行了热弹性分析，研究了单晶材料的工程常数对蠕变应力、蠕变应变和位移的影响;杨治国，尹泽勇等人[7]，从单晶变形机理出发，给出了弹塑性蠕变滑移的本构模型，并用于某单晶涡轮叶片的弹塑性蠕变分析;李骋，尤德宣等人[8]，研究了单晶叶片DD6的高温力学性能;胡仁高，卿华等人[9]，应用正交各向异性Walker统一粘塑性本构模型，将本构方程导入有限元软件中，对涡轮叶片进行了热粘塑性分析;孙万超，陆山等人[10]，基于有限变形晶体滑移理论，推导了增量型本构方程，利用ANSYS软件，计算了镍基单晶叶片DD3的力学性能;温志勋，岳珠峰等人[11-12]，总结了近年来镍基单晶涡轮冷却叶片力学性能技术研究的进展情况。

1 单晶涡轮叶片应力分析方法

综上所述，国内外学者在分析单晶涡轮叶片的应力行为时，大多是从晶体的滑移机理出发，建立晶体的滑移粘塑性本构模型，然后利用有限元软件仿真计算单晶涡轮叶片的应力行为。这种方法现已基本成为单晶涡轮叶片应力计算分析的通用方法。

晶体的变形过程可分为两种不同的机理：晶格的弹性变形和连续的塑性滑移，如图1所示。

从叶片的应力分布云图可以看出，燃气涡轮二级工作叶片的最大应力出现在叶身根部，叶盆中间位置，最大应力值为574.6MPa。

从表2的计算结果可以看出，燃气涡轮二级工作叶片各个截面的应力值均低于DD6单晶材料在对应工作温度下的屈服强度值，至少有32.4%的强度裕度，满足某型涡轴发动机的强度使用要求。

4 结论

本文综合论述了单晶涡轮叶片应力计算分析的多种方法。基于晶体滑移机理，建立晶体滑移粘塑性本构模型，最后利用有限元软件仿真计算单晶涡轮叶片的应力行为，已成为目前主流的分析方法。

基于此方法，本文利用有限元软件ANSYS计算分析了某涡轴发动机燃气涡轮单晶工作叶片的应力分布情况。计算结果表明，各个截面的应力值均低于DD6单晶材料在对应工作温度下的屈服强度值，具有较大的裕度，满足某型涡轴发动机的使用要求。本文的计算方法可为同类型单晶叶片的计算提供科学参考。

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